Раздел 10 – Корректор коэффициента мощности (ККМ)

Первичная электрическая цепь переменного тока достаточно чувствительна к характеру нагрузки, подключаемой к ней. Оптимальной нагрузкой является активное линейное сопротивление - R_н . В этом случае  

при синусоидальной форме питающего напряжения u(ωt)=U_msin(ωt) ток, протекающий в такой цепи будет также описываться синусоидальной функцией:

При этом мгновенная мощность, потребляемая от сети:

    Учитывая, что  где U и I – действующие значения токов и напряжений в сети, а  получим

Таким образом, мощность, потребляемая из сети и выделяемая в нагрузке, пульсирует с удвоенной частотой.

Средняя мощность Р, которая определяет энергию, необратимо преобразуемую в нагрузке в тепловую (или в какую-то иную форму) в единицу времени:

    На практике нагрузка наиболее часто носит активно-индуктивный характер.

Тогда

где

    Мгновенная мощность, потребляемая в этом случае от сети:

,

Также имеет пульсирующий вид, но она знакопеременна.

Положительные участки зависимости мощности от времени характеризуют передачу энергии из сети в нагрузку, а отрицательные – возврат части энергии, накопленной в магнитном поле индуктивности, в сеть. Первая составляющая в предыдущей формуле порождает активную мощность Р, а вторая – реактивную Q.

Средняя (активная) мощность, выделяемая в нагрузке:

Реактивная мощность Q бесполезно перекачивается из сети в нагрузку и обратно, вызывая потери в сетевых проводах и не производя полезной работы.

Произведение  называется полной мощностью, а cosφ – коэффициентом мощности нагрузки, который учитывает фазовый сдвиг тока относительно напряжения. Полная мощность S, с одной стороны характеризует максимальную мощность, которую сеть могла бы отдавать нагрузке при cosφ=1, а с другой – является паспортной величиной для электрических машин, аппаратов и т. д. Мощности связаны друг с другом:

В реальной электрической сети всегда имеются потери Р_пот. При этом мощность потерь в ней определяется не только полезной активной мощностью, передаваемой в нагрузку, но и бесполезной реактивной мощностью:

Очевидно, что увеличение индуктивной части нагрузки приводит к увеличению фазы тока относительно напряжения и, следовательно, к уменьшению что, в свою очередь, ведёт к увеличению реактивной мощности и потерь в электрических сетях.

Ситуация ещё более ухудшается, если подключённая к сети нагрузка является не только реактивной, но и нелинейной, так как она вносит серьёзные искажения в форму потребляемого тока. В этом случае его можно представить суммой первой гармоники и гармоник высшего порядка:

Тогда мгновенная мощность, потребляемая из сети:

а средняя мощность в нагрузке:

Известно, что для гармоник с n > 2

и поэтому активная мощность, выделяемая в нагрузке:

,

где φ – угол сдвига первой гармоники тока относительно напряжения.

    Таким образом, активную мощность в нагрузку передаёт только первая гармоника тока, потребляемого от сети. Отношение активной  и  полной мощностей характеризуется коэффициентом мощности нагрузки:

    .

    Из этого выражения следует, что коэффициент мощности зависит не только от угла  сдвига  первой гармоники тока φ₁, но и от отношения I₍₁₎/I, которое определяет степень искажения тока высшими гармониками, т. е. от формы тока.

    На рисунке показаны формы возможных форм тока, потребляемых некоторыми нагрузками (в частности, вторичными импульсными источниками питания) из сети и соответствующие им коэффициенты мощности.   

Низкий коэффициент мощности порождает ещё ряд серьёзных проблем в системе электропитания. При большом количестве электронной аппаратуры и нерациональном её подключении к питающей трёхфазной сети возможен перекос фаз. При этом часть электронной аппаратуры будет работать при повышенном напряжении, а другая – при  пониженном. И в том и в другом случае аппаратура будет плохо работать и даже выйти  из строя. Для устранения перекоса фаз в трёхфазную сеть вводят «нулевой» провод, который выравнивает напряжение во всех фазах. При импульсном характере потребляемого тока и большом числе его гармонических составляющих возможна перегрузка «нулевого» провода, так как сечение этого провода в 2…2,5 раза меньше, чем у фазных проводов. При этом, по технике безопасности  запрещается защищать «нулевой» провод плавкими предохранителями или автоматами защиты сети. Очевидно, что при неблагоприятных условиях возможно перегорание нулевого провода и возникновение перекоса фаз.

Импульсные источники электропитания состоят из входного мостового выпрямителя с емкостным фильтром и высокочастотного преобразователя напряжения. Обладая высокими значениями КПД, хорошими массогабаритными показателями, такие источники, к сожалению,  имеют низкий коэффициент мощности – 0,5…0,7.

Коэффициент мощности в цепи переменного тока вентильного преобразователя (на входе выпрямителя и выходе инвертора) определяется отношением активной мощности к  полной. Для выпрямителя это дает

                          (1)

где  — отношение действующего значения первой гармоники тока первичной обмотки трансформатора к действующему значению первичного тока, называемое коэффициентом искажения тока.

    Сдвиг первой гармоники первичного тока относительно кривой первичного напряжения, имеющего синусоидальную форму, обусловлен в вентильном преобразователе двумя причинами. Во-первых, наличием угла коммутации γ, во-вторых, наличием угла регулирования α, что позволяет записать приближенно

                                                                     (2)

Коэффициент 1/2 берется при α, близких к 90°, а коэффициент 2/З — при α, близких к малым углам. При линейной аппроксимации коммутационного участка тока всегда надо брать коэффициент 0,5. Для режима зависимого инвертора аналогично (2)  получаем

                                        (3)

    Итак, в соответствии с (1) коэффициент мощности можно интерпретировать как степень полезного использования  пропускной  способности электротехнического оборудования,  которое выбрано на полную мощность, а через него будет пропущена для преобразования в другие виды энергии активная мощность .  Кроме того, качество входного тока  определяет степень негативного обратного  влияния  вентильного преобразователя на сеть переменного тока.
    Особенно показательным становится выражение для коэффициента мощности вентильного преобразователя при допущении Хa = 0, Хd =∞ , когда γ = 0,  = α. Тогда (1) преобразуется к следующему виду:
                                                         (4)
Эта важнейшая энергетическая характеристика преобразователя показывает, какой ценой на входе дается регулирование напряжения на выходе.
    Таким образом, коэффициент мощности вентильного преобразователя линейно зависит от степени регулирования напряжения в звене постоянного тока. Это «ахиллесова пята» всех (рассмотренных) вентильных преобразователей на вентилях с неполным управлением (тиристорах). Наличие большой доли вентильной нагрузки в электрической сети обостряет для энергетиков проблему поддержания коэффициента мощности в сети на нормативном или оптимальном уровнях (обычно порядка 0,9). Это делает актуальной задачу построения вентильных преобразователей с улучшенными энергетическими показателями (коэффициентом мощности и КПД).